金屬鈉置換出銅的幾種實驗方案比較

舒常青

摘要：從教材中鈉與硫酸銅溶液反應的內容談起，分析鈉不能置換出銅的原因；從思考、文獻和實證的角度探討鈉可以置換出銅的條件，對各種置換出銅的方式的操作難度、現象、安全性等方面進行了實證和比較。

關鍵詞：金屬鈉置換銅；實驗方案比較；化學實驗教學

文章編號：1005–6629（2014）3–0060–02 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

置換反應是初中化學實驗常見的反應，這類反應讓學生對金屬活潑性強的金屬可以置換出金屬活潑性弱的金屬的認識較為深刻。魯科版高中《化學1》第18頁的金屬鈉與硫酸銅溶液的反應是學生進入高中階段后第一個課外實驗[1]，反應生成藍色沉淀的結論顯然難用初中所學置換反應的規律進行解釋。在多年的教學實踐中，學生就這個實驗提到最多的是，金屬鈉為什么不能把銅置換出來？金屬鈉怎樣才能置換出銅？

關于第一個問題，筆者比較贊同的觀點是——鈉是活潑的金屬，從活潑性角度來分析，鈉可以將溶液中的H+和Cu2+置換出來，雖然單獨的銅離子比氫離子氧化性強，但在溶液中銅離子以水合銅離子形式存在[2]，金屬鈉在接觸銅離子之前已先接觸到了H+。所以將金屬鈉投入到水中后，鈉主要是與水電離出來H+發生反應，而且鈉與水反應太快會導致銅離子與鈉基本上沒有太多接觸機會。

關于第二個問題，金屬鈉在什么情況下可以置換出銅？結合金屬鈉不能置換出銅的原因不難發現，阻礙鈉置換出銅的關鍵問題在于水，如果能排除或者減少水分子與鈉反應這一干擾因素，鈉應該是可以把銅置換出來。

1 金屬鈉置換出銅常見方案比較

結合近幾年的相關資料，鈉置換出銅的相關方案，大致可以分為2大類。

第一類：鈉與銅在沒有加水的情況下通過升溫熔融實現鈉置換出銅[3]，用這種方式置換出銅的原因是鈉比銅活潑，該方案對于剛進入高一階段的學生而言比較好理解。但這個方案最大的困難在于給固體加熱使之融化時鈉易與氧氣反應，所以成功的關鍵在于提供一個隔絕空氣的反應環境，或者在給固體加熱時固體周圍用保護氣阻止空氣與固體接觸。

筆者選擇了用保護氣覆蓋在固體表面給固體加熱這一方式，在保護氣的選擇方面筆者分別用N2和CO2這兩種氣體進行了嘗試，其中選用CO2做保護氣更適合一些，因為實驗室制取二氧化碳比較容易，而二氧化碳的密度比空氣大，氣體也更容易覆蓋在固體的周圍有效隔絕與氧氣的接觸。

該方案的優點是比較容易獲得較多紅色固體，但操作起來比較繁瑣，高一學生自行完成實驗較難獲得成功。

第二類：利用各種條件，增大金屬鈉與銅離子的接觸機會，其中比較典型的做法有，將硫酸銅溶液滴入到金屬鈉表面，鈉因為過量使部分銅離子被置換出來；或者將鈉用刺有小孔的鋁箔包裹住投入到硫酸銅溶液中[4]，間接增加鈉與銅離子的接觸機會。

將硫酸銅溶液滴入鈉表面的做法較難成功，只有選擇了將濃度較大的硫酸銅溶液滴入面積較大的鈉片后，偶爾才能看到大量黑色沉淀物之中有少量紅色物質出現；采用鋁箔包裹住鈉投入到硫酸銅溶液實現置換出銅的方法操作起來亦有一定的難度和危險，鈉的大小、孔的數量和大小、鋁箔的大小及包裹方式等都會影響實驗的成敗。

與第一類方法不同，第二類置換出銅的方法只是減少了鈉與水的反應機會，反應過程會出現大量其他顏色的沉淀，這些沉淀使得要觀察到紅色物質具有相當大的難度。

雖說上述相關實驗已經多次進行了嘗試，但產生的紅色固體是否一定為銅？通過查閱相關資料和結合反應物成分分析，紅色固體也可能是Cu2O。

為了鑒定紅色固體的成分，筆者將得到的紅色固體用清水洗干凈后置于表面皿中（因為量不多，放入表面皿更易觀察），分別嘗試用濃氨水、濃鹽酸來溶解表面皿中的紅色固體，結果發現這些紅色固體加入濃氨水或者濃鹽酸后沒任何變化，而實驗室提供現成的Cu2O加入濃氨水或者濃鹽酸是可以得到藍色溶液的。實驗最終是通過加入稀硝酸才將表面皿中的紅色固體完全溶解并得到淺藍色的溶液，這也進一步證實了用上述方法置換出銅確實可以實現。

有沒有一種更簡單、安全、現象也明顯的操作方法實現鈉置換出銅？

2 新實驗方案設計

2.1 介質概念啟示

有機化學教材中有關肥皂制備的實驗給了筆者很大的啟示，實驗中為了促進油脂和氫氧化鈉溶液充分混合加入了無水乙醇[5]。如果有一種類似于乙醇的介質能溶解銅鹽，而介質本身不與鈉發生反應，那不就有可能實現鈉接觸到銅離子了嗎？

確定了基本方向后，筆者在百科里面進行了詳盡的查找，發現有不少銅鹽溶于不與鈉反應的有機溶劑。

（1）溴化銅溶于丙酮、吡啶；

（2）氯化銅略溶于丙酮和乙酸乙酯；

（3）醋酸銅微溶于乙醚。

為了更清晰地觀察實驗，筆者將鈉切成2厘米長和寬的鈉片，選擇了部分有機溶劑溶解銅鹽，再將所得液體滴入到鈉片上。

2.2 部分實驗操作

2.3 實驗分析

整個實驗操作沒有出現劇烈的反應和爆炸，實驗現象也很明顯，尤其是溶有溴化銅的丙酮溶液與鈉片反應可以看到鈉片出現一層相當明顯的紅色固體，這些物質會不會就是銅？為了驗證這一想法，筆者再次取出上述實驗得到的紅色固體用水清洗后置于表面皿，分別用鹽酸、濃氨水和稀硝酸進行檢測。檢測結果和預想完全一致——固體就是只溶于稀硝酸的金屬銅。

至此，利用有機溶劑作為介質溶解銅鹽后再與鈉反應置換出銅單質的方案已經被證實可行。而且這種方式目前是所有方法中操作最簡單、現象最明顯、相對最安全的方式。

2.4 實驗疑惑

實驗雖然已經達到了預期的效果，但實驗的成功讓筆者產生了新的疑慮。

銅鹽溶于這些有機溶劑后銅鹽能電離嗎？考慮到這種溶液可以與金屬鈉發生反應，筆者推測銅鹽溶解后是可以電離出銅離子的（之前筆者一直認為鹽只有溶于無機溶劑或者熔融下才能電離出離子）。

實驗室提供的丙酮、乙酸乙酯均含有少量的雜質，這些雜質是否會導致金屬鈉置換出銅？

鑒于高中實驗條件有限，一直未能找到不含有任何雜質的有機溶劑進行相應的實驗，希望有條件的同行能繼續研究下去，使得利用有機溶劑溶解銅鹽與鈉發生置換反應這一方案從理論到實踐能更加成熟。

3 廢棄物處理需謹慎

從表面上來看，相對其他方案，利用有機溶劑溶解銅鹽與金屬鈉發生置換反應生成銅單質顯然更安全，也更容易操作。

但這一方案有一潛在的危險，那就是實驗結束后廢棄物的處理。

將溶有銅鹽的有機溶液滴入到鈉片后，一般情況下鈉并沒被反應完，而實驗結束后不可避免的就是進行廢棄物處理，通常情況下都是將廢棄物直接倒入廢液缸中。但未反應完全的鈉片不能直接倒入廢液缸，一旦將鈉片丟棄于廢液缸，鈉與水會劇烈反應甚至著火爆炸。建議將未反應完的鈉片在石棉網上直接燃燒掉，或者將水直接滴到石棉網上的鈉片上，讓鈉反應完全后將剩余固體物倒入廢液缸。

結語：鑒于金屬鈉過于活潑，在實驗中容易燃燒和爆炸，在教學中不建議學生課后單獨通過自行實驗探索鈉置換出銅的方法；即使教師在課堂上演示金屬鈉置換出銅的新方法，也一定要對新方法了然于胸再進行操作，以免在課堂上發生安全事故。

參考文獻：

[1]王磊主編.普通高中課程標準實驗教科書·化學1（必修）[M].濟南：山東科學技術出版社，2010：18.

[2]高等教育出版社，北京師范大學，華中師范大學，南京師范大學，無機化學教研室.無機化學下冊（第2版）[M].北京：高等教育出版社，1991：742.

[3]王胤琪.鈉能從硫酸銅中置換出銅單質嗎[J].化學教與學，2010，（12）：79～80.

[4]吳孫富，馮鄉情，李春娥，朱紅兵.鈉不能從硫酸銅溶液置換出銅嗎[J].中學化學，2004，（3）：23.

[5]曹居東，王磊，尹冬冬.普通高中課程標準實驗教科書·有機化學基礎[M].濟南：山東科學技術出版社，2007：85.